Новости экономики, общества, культуры

Вспененный каучук находит широкое применение: от амортизации автомобильных сидений и мебели до изоляции стен и бытовой техники, подошв и каблуков в обуви. Пенопласты получают путем образования пузырьков газа в пластиковой смеси с использованием вспенивателя. Производство пенопласта представляет собой либо непрерывный процесс изготовления ламината или плит, либо периодический процесс изготовления различных форм путем резки или формования.

Существует два основных типа пены. Гибкие пенопласты имеют открытую ячеистую структуру и могут производиться как с высокой, так и с низкой плотностью. Области применения материала поролон мебельный — включают амортизацию для мебели и автомобилей, матрасы и подушки, автомобильную отделку и подошву для обуви. Жесткие пенопласты представляют собой высокосшитые полимеры с закрытой ячеистой структурой, препятствующей движению газа. Их основное применение – изоляция зданий, холодильников и морозильных камер, а также транспортных средств-рефрижераторов.

История

Первоначально поролон изготавливали из натурального латекса, белого сока каучуковых деревьев. Уже в 500 г. до н.э. , майя и ацтеки использовали этот латекс для гидроизоляции, а также нагревали его для изготовления игрушечных мячей. В начале 1900-х годов был выдан первый патент на синтетический каучук, а несколько десятилетий спустя был изобретен процесс вспенивания латекса. Другой процесс был разработан в 1937 году для изготовления пенопластов из материалов на основе изоцианата. После Второй мировой войны бутадиен-стирольный каучук заменил натуральный пенопласт. На сегодняшний день полиуретан является наиболее часто используемым материалом для пенопластовых изделий. Вспененные полиуретаны в настоящее время составляют 90% по весу всего рынка полиуретанов.

Потребление полиуретана в Соединенных Штатах в 1997 году оценивалось примерно в 4,8 миллиарда фунтов (2,18 миллиарда кг), что на 13% больше, чем в 1996 году, и составляет около трети мирового потребления. Канада потребила 460 миллионов фунтов (209 миллионов кг). Строительная, транспортная, мебельная и ковровая промышленность являются крупнейшими потребителями полиуретана, причем на долю строительства и транспорта приходится 27% и 21% соответственно. Гибкий пенопласт является крупнейшим конечным рынком, на который приходится 44% от общего объема в США и 66% в мире. Из объема в США на плитные материалы приходилось 78%, а на погонажные изделия — 22%. Жесткий пенопласт является вторым по величине конечным продуктом, на долю которого приходится 28% рынка в США и 25% в мире.

Дизайн

Молекулярная структура, количество и температура реакции каждого ингредиента определяют характеристики и последующее использование пены. Поэтому каждый состав должен быть разработан с использованием соответствующих ингредиентов для достижения желаемых свойств конечного материала. Например, замена вспенивающего агента может потребовать увеличения количества этой добавки для сохранения тепловых свойств. Увеличение количества пенообразователя требует большего количества воды и замены поверхностно-активных веществ для поддержания оптимального размера пузырьков и скорости образования во время вспенивания. Плотность пены определяется количеством вдувания. Жесткость и твердость полиуретана также можно регулировать путем изменения уровня гибкого полиола в химическом составе. Смешивая различные комбинации исходных материалов, можно контролировать скорость реакций и общую скорость отверждения во время обработки.

Сырье

Большинство пенопластов состоят из следующих химических веществ: 50% полиола, 40% полиизоцианатов и 10% воды и других химических веществ. Полиизоцианаты и полиолы представляют собой жидкие полимеры, которые в сочетании с водой вызывают экзотермическую (выделяющую тепло) реакцию с образованием полиуретана. Двумя наиболее часто используемыми полиизоцианатами являются дифенилэтандиизоцианат (МДИ) и толуолдиизоцианат (ТДИ). Оба получены из легкодоступных нефтехимических продуктов и производятся с помощью хорошо зарекомендовавших себя химических процессов. Хотя МДИ химически более сложен, чем ТДИ, эта сложность позволяет адаптировать его состав для каждого конкретного применения. MDI обычно используется в жестких пенопластах, тогда как TDI обычно используется в гибких пеноматериалах. Также используются смеси MDI и TDI.

Полиолы представляют собой мономеры с активным водородом на основе сложных полиэфиров, простых полиэфиров или углеводородных материалов, которые содержат по меньшей мере два активных атома водорода. Тип используемого полиола будет определять, будет ли полученный пеноматериал гибким или жестким. Поскольку большинство полиолов сразу же реагируют с изоцианатами при совместном добавлении, легко объединить процессы полимеризации и формования в одну стадию. В процессе полимеризации молекулы полиола и полиизоцианата связываются и соединяются друг с другом, образуя трехмерный материал.

Также используется широкий спектр добавок. Катализаторы (олово и амины) ускоряют реакцию, позволяя производить большие объемы продукции. Для получения пены необходимы пенообразователи, образующие пузырьки газа в полимеризующейся смеси. Количество обдува можно регулировать, регулируя уровень воды. Гибкие пены обычно изготавливают с использованием двуокиси углерода, образующейся при реакции воды с изоцианатом. Жесткие пены используют гидрохлорид орофторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и пентаны в качестве пенообразователей.

Поверхностно-активные вещества используются для контроля размера пузырьков и включают силиконы, простые полиэфиры и подобные материалы. Другие добавки, которые могут быть использованы, включают сшивающие агенты, агенты, удлиняющие цепь, наполнители, антипирены и красящие вещества, в зависимости от применения.

Производство
Процесс

Скорость полимеризации большинства промышленных полиуретанов колеблется от нескольких секунд до примерно пяти минут. Медленно реагирующие составы можно смешивать и формовать вручную, но для этого требуется длительное время цикла. Более быстрые системы обеспечивают более короткое время цикла, но должны использовать машины для смешивания. Полиуретановые составы обычно перерабатываются в широкий спектр продуктов с помощью методов реактивного формования, распыления или открытой заливки.

Подготовка материала

1 Жидкие химические вещества доставляются либо железнодорожными цистернами, либо автоцистернами и перекачиваются в большие сборные резервуары. Оттуда химические вещества перекачиваются в меньшие нагреваемые смесительные резервуары и хранятся отдельно, если они реагируют друг с другом. Для непрерывного производства пенопласта, такого как плиты, обычно используют более двух потоков мономера.

Дозирование и смешивание

2 Непрерывное дозирование (также называемое открытой заливкой или свободным подъемом) используется при производстве жестких и гибких пенопластов низкой плотности. Определенное количество каждого химиката, измеряемое дозирующими насосами, подается из смесительных баков в смесительную головку, где происходит смешивание химикатов. Реактивные компоненты выливают на движущуюся поверхность или конвейерную ленту, где пена поднимается и затвердевает, образуя плиты.
Резка и отверждение

3 По мере того, как пена движется к концу конвейерной ленты, она автоматически разрезается горизонтальной ленточной пилой на более мелкие части, обычно длиной 12 футов (3,66 м). После резки пенопластовые секции отверждаются при комнатной температуре в течение 12 часов и более. Их не укладывают друг на друга, так как они недостаточно прочны, чтобы выдержать любой вес. После отверждения второй автоматический ленточнопильный станок нарезает секции до нужной толщины. Другие формы также могут быть вырезаны.

Другие формовочные процессы

4 Непрерывный процесс ламинирования используется для формирования изоляционных панелей из жесткого вспененного ламината, известных как картон. Для изоляции прибора жидкие химические вещества впрыскиваются между ними. После смешивания реактивные компоненты выливаются на конвейерную ленту, где пена поднимается и отверждается, образуя плиты. Затем заготовка проходит через ряд автоматических ленточнопильных станков, которые разрезают заготовку до заданной ширины и толщины.
Химикаты распределяются в непрерывном режиме, называемом открытой заливкой или свободным подъемом. После смешивания реактивные компоненты выливаются на конвейерную ленту, где пена поднимается и отверждается, образуя плиты. Затем заготовка проходит через ряд автоматических ленточнопильных станков, которые разрезают заготовку до заданной ширины и толщины.
внутренние и внешние стенки корпуса прибора, где они подвергаются процессу вспенивания.

5 Для формования гибкой пены используются дозирующие машины для изменения выхода химикатов или соотношения компонентов во время заливки. Это позволяет производить формованные пенопласты с двойной твердостью. Формованные пенопластовые изделия с твердой поверхностной оболочкой изготавливаются из жидких химикатов в одну стадию с использованием двуокиси углерода в качестве единственного вспенивателя. Автомобильные подушки изготавливаются путем формования гибкой пены под предварительно сформированным тканевым покрытием. Этот процесс сокращает количество этапов изготовления автокресел.

Контроль качества

Помимо контроля производственного процесса, конечный продукт проверяется и тестируется на различные физические и механические свойства. Важным свойством поролона является отклонение от нагрузки при вдавливании, которое измеряет натяжение пружины или качество несущей способности материала. Прогиб определяется количеством веса, необходимого для сжатия круга из пенопласта 50 кв. дюймов x 4 дюйма (127 кв. см x 10,16 см) толщиной на 25%. Большинство пеноматериалов для подушек сидений имеют рейтинг 35, что означает, что требуется давление 35 фунтов (15,9 кг), чтобы сжать круг пены на 1 дюйм (2,54 см).

Побочные продукты/отходы
Поскольку существует такой широкий спектр полиуретановых химических веществ, трудно перерабатывать пеноматериалы, используя только один метод. Большая часть переработки включает повторное использование гибких пенопластовых плит для основы ковров. Более 100 миллионов фунтов (45,4 миллиона кг) полиуретановой ковровой подушки ежегодно перерабатывается в клееную ковровую подушку. Это включает в себя измельчение лома на хлопья и соединение хлопьев вместе, чтобы сформировать листы.

Недавно были разработаны другие методы. Один метод включает измельчение пены в гранулы, диспергирование этих гранул в смеси полиолов и формование из них тех же частей, что и оригинал. Молотый полиуретан также может добавляться в оригинальные системы в качестве наполнителя в количестве до 10%. Другой метод, называемый склеиванием прессованием, связывает гранулированный лом с помощью связующего на основе изоцианата в большие плиты с плотностью от 400 до 900 кг/м3.

Один производитель запатентовал процесс расщепления полиуретана на полиол с использованием промышленных отходов или автомобильных запчастей; используются процессы гликолиза, в результате которых образуется полиол для использования в автомобильной пене для сидений и подушках для мебели и постельных принадлежностей. В этом процессе полиуретан измельчается в порошок, а затем нагревается в реакторе до 392°F (200°C) с гликолем, который превращает его в сырье. В ходе реакции происходит химическое расщепление полимерных цепей (уретана).

Будущее
Промышленность по производству пенорезины будет продолжать исследовать методы сокращения и переработки отходов. Один производитель исследует процесс прямого производства формованных пенопластовых деталей из измельченных обрезков гибкого пенополиуретана и производственного брака.

Промышленность сталкивается с другими экологическими проблемами, которые потребуют разработки новых пенообразователей. Согласно Монреальскому протоколу к 2003 году в Соединенных Штатах планируется поэтапный отказ от гидрохлорфторуглеродов. Несколько международных усилий могут устранить или даже запретить ГХФУ до этой даты.

Рынок гибкой пены будет продолжать расширяться за счет нетрадиционных областей, таких как амортизация, акустические приложения и игрушки. Это потребует улучшения свойств материалов и процессов, а также разработки новых химических веществ для удовлетворения потребностей новых применений других типов пеноматериалов. Уже разработан новый катализатор для полужестких пенопластовых систем, который снижает плотность и вес заполнения, а также сокращает время извлечения из формы.